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自升式平台支撑升降系统结构设计研究 摘要 自升式平台是一种海上活动式钻井装备，目前是我国海洋油气勘探中使用最多的一 种钻井平台。支撑升降系统是自升式平台的重要组成部分，其性能直接影响到平台的安 全和使用效果。本文介绍了自升式平台支撑升降系统的国内外发展概况，以s u p e rm 2 平台为参考对象对支撑升降系统进行了设计与研究。 根据自升式平台支撑升降系统的设计参数及技术要求，提出了支撑升降系统的总体 方案，分析计算了系统的作业环境，即所受的风力、波浪力、海流力、冰力，为支撑升 降系统的设计与分析提供了必要依据。 在总体方案的基础上对支撑升降系统的桩腿、桩靴、升降装置和锁紧装置等进行了 详细的结构设计，完成了升降装置驱动电机的选择和电路设计，分析了锁紧装置的承载 能力并设计了锁紧装置的液压回路。 利用a n s y s 软件完成了桩腿在着底状态下的整体强度分析、模态分析和谐响应分 析；对下导向架进行了极限工况下的静力分析；对齿轮齿条传动装置进行了接触强度分 析，并讨论了改善齿面接触强度和齿根弯曲强度的措施，验证了其结构设计的合理性和 可靠性。 对海洋环境下小齿轮的冲击载荷进行了分析仿真，并根据海上移动平台入级与建 造规范的要求对桁架桩腿进行了冰波流载荷下的动力分析。 关键词：自升式平台；支撑升降系统；结构设计；强度分析；动力分析 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i a b s t r a c t j a c k - u pp l a t f o r mi so n eo ft h em o v a b l eo f f s h o r ed r i l l i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi st a k i n ga l e a d i n gr o l ed u r i n gc h i n a so f f s h o r eo i la n dg a se x p l o r a t i o n f i x a t i o na n dj a c k i n gs y s t e mo f t h ep l a t f o r mi sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n tw h o s ep e r f o r m a n c ed e r e c t l yi m p a c t so nt h es e c u r i t y a n dt h eu s ee f f e c t so ft h ep l a t f o r m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eg e n e r a ld e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h e f i x a t i o na n dj a c k i n gs y s t e mh o m ea n da b r o a dw a si n t r o d u c e d , t h ef i x a t i o na n dj a c k i n gs y s t e m w a sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e dw i t hs u p e rm 2 p l a t f o r mf o rr e f e r e n c eo b j e c t a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np a r a m e t e r sa n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，o v e r a l ls c h e m eo ft h e f i x a t i o na n dj a c k i n gs y s t e mw a sp u tf o r w a r d t h es y s t e m so p e r a t i n gc o n d i t i o n sl i k ew i n d f o r c e ，w a v ef o r c e ，o o e a nc u r r e n tf o r c ea n di c ef o r c ew e r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d n e c e s s a r y b a s i sw c r ep r o v i d e df o rt h ed e s i g na n d a n a l y s i so ft h ef i x a t i o na n dj a c k i n gs y s t e m b a s e do nt h eo v e r a l ls c h e m e ，d e t a i l e ds t r u c t u r ed e s i g no ft h et r u s sl e g ，s p u d c a n ，j a c k i n g s y s t e ma n df i x a t i o ns y s t e mw a sc a r r i e do u t ；d r i v em o t o rs e l e c t i o na n dc i r c u i td e s i g no ft h e j a c k i n gs y s t e mw e r ec o m p l e t e d ；b e a r i n gc a p a c i t ya n dh y d r a u l i cc i r c u i tw e r ea n a l y z e da n d d e s i g n e dr e s p e c t i v e l y t h eo v e r a l ls t r e n g t ha n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i so ft h e t r u s sl e gu n d e rt h es t a t eo ft o u c h d o w nw e r ep r e s e n t e dw i t ht h eh e l po fa n s y s ；s t a t i c a n a l y s i so ft h el o w e rg u i d ep l a t eu n d e rl i m i tw o r k i n gc o n d i t i o nw a sc a r r i e do u t ；c o n t a c t s t r e n g t hv e r i f i c a t i o no ft h eg e a ra n dr a c kw a sa c h i e v e da n dm e a s u r e st oi m p r o v et h ec o n t a c t s t r e n g t ho ft o o t hs u r f a c ea n dt e e t hb e n d i n gs t r e n g t hw e r ed i s c u s s e d ；t h er a t i o n a l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h es t r u c t u r ed e s i g nw e r ep r o v e d t h ei m p a c tj o a do ft h et e r m i n a lg e a rw a sa n a l y z e da n ds i m u l a t e du n d e rt h em a r i n e e n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t s ，d y n a m i ca n a l y s i so ft h et r u s sl e gu n d e rt h el o a do f i c e ，w a v ea n do c e a nc u r r e n tw a sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：j a c k u pp l a t f o r m ；f i x a t i o na n dj a c k i n gs y s t e m ；s t r u c t u r ed e s i g n ；s t r e n g t ha n a l y s i s ； d y n a m i ca n a l y s i s 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 当今，世界经济和技术高速发展，海洋资源开发己成为全球各海洋强国新技术革命 的重要领域【1 , 2 1 。与陆地资源开发不同，海上资源开发由于受到海上作业环境的限制， 必须建造专业的海洋工作平台，它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所 【3 1 。随着海洋资源开发事业的迅猛发展，自升式海洋平台得到了广泛的应用【4 1 。目前应 用自升式海洋平台最为广泛的领域当属海上油气资源的勘探和开发1 4 j 。 自升式平台是一种海上活动式钻井装备，目前是我国海洋石油勘探中使用最多的一 种钻井平台，由于其作业稳定性好和定位能力强，在大陆架海域的油气勘探开发中居极 其重要的地位f 5 , 6 1 。自升式平台主要由平台主体、桩腿、升降锁紧装置、钻井装置( 包括 动力设备和起重设备) 以及生活楼( 包括直升飞机平台) 等组成1 5 6 l 。平台在工作时用升降 装置将平台主体提升到海面以上，使之免受海浪冲击，依靠桩腿的支撑稳定的站立在海 底进行钻井作业【5 , 6 1 。完成任务后，降下平台主体到海面，拔起桩腿并将其升至拖航位 置，即可拖航到下一个井位作业【5 ，6 l 。因此，支撑升降系统的结构对自升式海洋工作平 台的安全有着至关重要的作用。自升式平台的工作状态如图1 1 所示。 a 拖航：b 下桩；c 压载：d 升船；e 工作 图1 1 自升式平台工作状态 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 1 课题研究的目的 自升式平台的支撑升降系统是在拖航、钻井、风暴自存等工况下保证平台安全的最 关键组成部分，其性能直接影响到平台的安全及其使用效果川。自升式平台的支撑升降 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 i i ii i 系统作为整个平台建造的难点，致使国内相关建造单位无法实现整个平台的总包；在平 台的建造过程中，国内相关建造单位只能承担船体建造、设备的安装等工作，因此获得 的利润相当有限。 在自升式平台的建造成本中，其支撑升降系统占相当大的比重( 约占平台总价的 3 0 ) 。目前，全世界范围内自升式平台支撑升降系统的供给主要被几个国外石油设备 公司垄断。 本文的目的在于通过对自升式平台的支撑升降系统进行设计开发研究，突破支撑升 降系统的设计制造关键技术，为推动我国海洋油气勘探开发事业提供技术支持。 1 2 2 课题研究的意义 摆脱国外技术的束缚，充分参考、消化国际该行业最先进技术的情况下，开发出一。 套具有自主知识产权的支撑升降系统十分有意义。 1 自主研发的支撑升降系统，在摆脱国外设备垄断的同时，可以为国家能源安全 提供保障。 2 自主研发的支撑升降系统相比国外垄断的产品性价比会十分突出，能有效降低 自升式平台建造成本，为国家节省大量石油钻采设备成本。 3 突破支撑升降系统的技术瓶颈，实现该设备的国内供应，可以为国内相关建造 单位实现平台的总承包，从而实现利润的最大化，并且提高平台建造在国际上的竞争力。 4 自主研发支撑升降系统可以为国内相关石油配套单位提供机会，在当今国际经 济形势严峻的大环境下，注入新的生机。由于在性价比上的巨大优势，支撑升降系统制 造单位为国家创汇的同时，也能实现自身的发展。 5 国内绝大部分石油装备企业提供的产品范围主要集中在陆上石油开采领域，鲜 有具有竞争力的海洋石油设备；陆上油气资源的日益匮乏致使海洋油气开发势在必行， 同时也为国内石油设备企业提供新一轮的机会。 1 3 国外支撑升降系统的发展概况 支撑升降系统作为自升式平台中的核心部分，在平台的设计建造中历来受到高度重 视，其性能的优劣直接影响到平台的安全和使用效果 r l 。最常用的升降装置是齿轮齿条 式和顶升液压缸式【3 j 。桩腿按结构形式可分为壳体式桩腿和桁架式桩腿。壳体桩腿是封 闭型桩腿，其桩腿截面有圆形和方形两种形式；桁架式桩腿截面有三角形和四方形两种 形式【3 l 。不同截面形状的桁架式和壳体式桩腿与不同类型的升降驱动方案相互组合，衍 2 第1 章绪论 生出多种能够实现升降平台功能的支撑升降系统类型，如图1 2 所示。 支撑升降系统 l 齿轮齿条式液压项升式 壳体桩腿桁架桩腿齿孔式销孔式 l llll l 四 圆方 角方方方圆 柱形 形 形 形形形 桩 桩 桁桁封封封 腿腿 架 架闭闭闭 齿齿 桩桩桩桩桩 轮轮 腿 腿 腿腿腿 齿齿 齿齿齿销销 轮轮孔孔孔 条 条 齿齿式式式 条条 图1 2 支撑升降系统类型 1 3 1 圆柱型桩腿一单环梁液压升降装置 销子、销孔和项升液压缸是一种升降装置。图1 3 所示为由g u s t o m s c 公司设计， 比利时r u p c l m o n d c 船厂建造的“w i n d ”号自升式平台支撑升降系统原理图1 8 j 。每一桩 腿有两组液压动作的插销和一组顶升液压缸。当装在环梁上的一组环梁销插入到桩腿的 销孔中时，一组顶升液压缸的同步动作即可使环梁及销子带动桩腿( 或平台主体) 升降一 个节距，然后进行换手：将锁紧销推入到桩腿的销孔中，退出环梁销，液压缸和环梁复 位，下一个工作循环开始”】。 1 一环梁；2 一销孔；3 一环梁销；4 一桩腿；5 一液压缸；6 锁紧销：7 一甲板； 图1 3 单环梁支撑升降系统原理图 3 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i t i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 宣i i 宣葺嗣 图1 4 下桩步序图图1 5 升桩步序图 图1 4 、图1 5 分别为该型桩腿下桩和升桩步序图，平台上升和平台下降的步序图 可类似获得。由步序图可得，有效升降仅为环梁带动桩腿上升或下降的过程，设时间为 f 1 ，设一个动作循环总共时间为t ，则升降效率可以表示为t 。 1 3 2 方壳型桩腿双环梁液压升降装置 方壳型桩腿及双环梁液压升降装置的设计是借鉴“五月花号风机安装船的设计思 想。该船支撑升降系统由桩腿及电力液压升降装置组成；每个桩腿高7 1 6 m ，截面为 4 mx4 m 方形，重4 5 0 t ，所用钢板最厚达1 5 0 r a m ，8 0 为超高强钢：桩腿提升速度最大 为l m m i n ，单桩腿提升能力3 7 5 0 t ，支撑能力5 0 0 0 t 1 0 1 。升降原理与销孔式液压升降原 理相同，优于销孔式的特点是箱型桩腿设计成齿孔式结构，避免了再沿桩腿纵向开孔， 提高了桩腿强度；而双环梁液压升降装置相对于单环梁升降速度更快，效率更高；抓取 动作分别由双环梁的主次抓取横梁及主次抓取油缸实现：方案采用4 个主升降液压缸 带动的主环梁和4 个次升降液压缸带动的次环梁交替完成桩腿的升降运动，正常工作 时，4 个液压缸处于支撑状态，另4 个处于提升或下降平台状态；该升降装置还包括上、 下导向结构紧固装置，以保证上下桩时的垂直度要求【l o l 。方壳型桩腿一双环梁支撑升降 系统结构如图1 6 。 4 第1 章绪论 1 主起升缸；2 主抓取缸；3 一次抓取缸；4 一桩腿；5 一次环梁；6 一主环梁； 7 一次起升缸；8 一甲板；9 桩靴； 图1 6 双环梁支撑升降系统结构图 步序l ：次起升缸活塞杆伸 长，次抓取油缸及次环梁空 载上升一个节距 步序2 ：次抓取缸活塞杆伸 长夹紧，主抓取油缸活塞杆 收缩松开。 步序3 ：次起升缸活塞杆收 缩，次抓取油缸、次环梁及 桩腿下降一个节距。 步序4 ：主起升缸活塞杆伸 长，主抓取油缸及主环梁空 载上升个节距。 步序5 ：主抓取缸活塞杆伸 长夹紧，次抓取油缸活塞杆 收缩松开。 步序6 ：主起升缸活塞杆收 缩，主抓取油缸、主环梁及 桩腿下降一个节距。 图1 7 下桩步序图 5 步序1 ：次抓取油缸活蓉秆 伸长夹紧，次起升缸活塞杆 伸长，次抓取缸、次环梁及 桩腿上升一个节距。 步序2 ：主抓取缸活塞杆伸 长夹紧，次抓取油缸活塞杆 收缩松开。 步序3 ：主起升缸活塞杆伸 长，主抓取油缸、主环梁及 桩腿上升一个节距。 步序4 ：次起升缸活塞杆收 缩，次抓取油缸及次环梁空 载下降一个节距。 步序5 ：次抓取缸活塞杆伸 长夹紧，主抓取油缸活塞杆 收缩松开。 步序6 ：主起升缸活塞杆收 缩，主抓取油缸、主环粱及 桩腿空载下降一个节距。 图】8 升桩步序图 哈尔滨：样大学硕士学位论文 其工作过程：假定初始状态为上下环梁的主次起升液压缸均处于未伸长状态，桩腿 下降和上升一个行程运行过程分别如图1 7 、图1 8 所示。平台上升和平台下降的步序 图可类似获得。由步序图可得，桩腿上升或下降的有效升降过程由两部分组成，一部分 为次环梁带动桩腿的上升或下降，设时间为t l ；一部分为主环梁带动桩腿的上升或下降， 设时间为t ，。设一个动作循环总共时间为t ，则升降效率可以表示为( f 1 + 厶) ，效率显 然比单环梁时要高的多。 1 3 3 桁架型桩腿一齿轮齿条升降装置 图1 9 为f & g 公司设计的三角形桁架桩腿齿轮齿条支撑升 降系统，该型支撑升降系统广泛应用于m o d i i 、s u p e rm o d i i 、 j u 2 0 0 0 等系列自升式平台上，是目前主流的结构形式【1 1 】。其整 2 体结构主要包括固桩架1 、升降装置2 、桁架桩腿3 、锁紧装置 j 4 与导向5 等，驱动方式为电机驱动。齿条沿桩腿弦杆对立铺 设，即附设于同一根弦杆的两侧，使齿轮动作时由于压力角和4 摩擦力引起的水平分力可以互相抵消【1 9 1 。升降装置上安装有小 齿轮，小齿轮与齿条啮合并由电动机经减速齿轮箱驱动。在平 台主体漂浮于水面的状态下，驱动齿轮可以实现升降桩腿，当 桩靴触底时，驱动齿轮则可实现平台主体升降【2 1 。升降装置的 ； 若叱事0 ，即只有海流作用时，式( 2 - 6 ) 可用来单独计算海流力。 2 3 4 冰载荷 我国的渤海海域及黄海北部在冬季会发生结冰现象。结冰严重时，将会严重影响海 1 8 渐警 一 瓣弧 1 i l 1攀。 一托洫 瓣 叮。 第2 章支撑升降系统的总体方案 _ i i 上交通，甚至导致海上结构物的倒塌和破坏。因此在我国北方海域安装自升式平台必须 对海上冰情给予足够的重视l 则。 海冰与自升式平台桩腿的相互作用主要有以下几种形式： ( 1 ) 巨大的冰层包围桩腿，对桩腿产生强大的挤压力。当整个海面处于冰层覆盖状 态，在波浪、海流及风的作用下，大面积冰原呈整体移动，挤压桩腿，缓慢作用。 ( 2 ) 在流冰期间自由漂动的冰块撞击桩腿时所产生的强烈的冲击作用；冰流期间冰 块对结构物的磨耗作用。 ( 3 ) 桩腿四周的海水因温度下降使冰与桩腿冻结成一体，冻结成的冰盖层因海流和 风的变化而移动，对结构产生拖曳力；由于水位的变化而产生垂直作用力。 f ( 1 m ) 1 0 0 2 3 1 0 t ( s ) ：印 图2 5 冰载荷简化模型 工程实践表明，前两种冰压力对自升式平台桩腿具有更大危险性，是平台桩腿遭受 损伤或毁坏的主要原因。本文后面章节将会研究自升式平台桁架桩腿在海上风、稂、流 与浮冰联合作用下的瞬态动力响应，图2 5 为桩腿动力响应分析时采用的周围浮冰对桁 架桩腿作用的简化时程曲线。 2 4 本章小结 本章提出了自升式平台支撑升降系统的总体设计方案，确定了支撑升降系统的设计 参数，论述了支撑升降系统实际工作过程和工作环境，并详细讨论了作用在桩腿上的风、 浪、流与冰等海洋环境载荷。本章的海洋环境基本资料为支撑升降系统的结构设计和有 限元分析工作提供了必要的理论依据。 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 宣i i i i i i 宣皇i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i ii t- - ii i | 第3 章支撑升降系统设计 3 1 引言 由前章可知，为适用于较大的水深，方案采用了桁架式桩腿与齿轮齿条升降装置相 配合的形式。与齿条相啮合的小齿轮安装在升降装置上，并由电动机经减速齿轮箱驱动。 齿轮齿条式升降装置工作连续，升降速度快，控制简单，操作性能良好。本章将以s u p e r m o d i i 平台支撑升降系统为参考对象，对前章设计的总体方案进行详细的结构设计。 3 2 桩腿的设计及建造和安装 桩腿的设计、建造与安装是制造自升式平台最重要也是最困难的工作，其特性及原 因是： 桩腿是大型的钢结构，安装和焊接产生应力和变形，自身的精度和公差不高，但 却要求类似机加工的精度。 桩腿材料尤其是齿条是超高强度钢，焊接和安装的难度很大。 桩腿焊后的无损探伤量大，要求很高。 桩腿和齿轮箱之间的间隙很小，公差配合最重要。 桩腿和升降装置是自升式平台最重要的部分，承受极大的载荷，且它的使用寿命 直接影响到平台的寿命，必须是高质量的产品。 3 2 1 桩腿长度的确定 桩腿长度组成示意图如图3 1 所示，其中 h 1 入土深度。与地基土的地质数据有关，参考j u 2 0 0 0 a 平台参数，取3 米。 h 2 ：设计水深，即最大作业水深，取9 5 米。 1 - 1 3 ：高度包括两部分：一为设计波的波峰高度，根据波高、周期及水深确定。二 为船体主空隙，称为峰隙。移动式平台规范要求，峰隙应取平均低水位以上的天文 潮、风暴潮和最大设计波峰高度三者之和的1 0 或1 2 米【3 1 ，取其小者。参考j u2 0 0 0 a 平台参数，取1 2 2 米。 h 4 ：高度包括两部分：安装船主体的型深和升降室的高度，为1 3 8 3 5 米。 h 5 ：裕量。用于入土深度的变化。一般认为最小值为3 5 米，取5 4 9 7 米。 则桩腿总长度h - h l + h 2 + h 3 + h 4 + h 5 = 3 + 9 5 + 1 2 2 + 1 3 8 3 5 + 5 4 9 7 = 1 2 9 5 3 2 米，其中桁 第3 章支撑升降系统设计 架长1 2 4 9 6 米，桩靴高4 5 7 2 米。 一 i 州 图3 1 桩腿长度的确定 3 2 2 桩腿设计参数 本文设计的自升式平台桩腿为钢制三角形桁架式桩腿，由弦杆、斜撑、外水平撑杆 和内水平撑杆组成，总长1 2 4 9 6 m ，示意图如图3 2 所示，单节距桩腿各杆参数如表3 1 。 剽 1 一齿条弦杆；2 - 外水平撑杆：3 一内水平撑杆；4 斜撑杆； 图3 2 桩腿结构简图 表3 1 单节距桩腿各杆参数 构件名称数量 截面尺寸( 衄)长度( r a m ) 弦杆 34 3 8 1 x 3 2 3 6 5 8 斜撑杆 6 4 2 1 9 1 x2 2 6 1 5 7 4 外水平撑杆 3 4 2 1 9 。1 2 2 9 9 0 6 内水平撑杆 34 1 6 8 3 1 0 4 6 4 8 2 1 哈尔滨 ：程人学硕士学位论文 则该三角形桁架式桩腿的“等效直径”d 可由下式求得 。：( l i 2 1 i ) ：1 3 3 8 1 2 x 3 6 5 8 + 6 x2 1 9 1 zx 6 1 5 8 + 3 x2 1 9 1 z x9906+3x16巫832x4 6 4 8 = 11 9 0 9 4 r a m 齿条材料a s t m 5 1 4 q ，属于低合金高强钢，屈服极限为6 9 0m p a ，抗拉强度为7 6 0 m p a ，齿面形式为直线，模数为8 0 ，压力角为3 0 。，齿条厚度1 5 0 m m 。桩腿截面尺寸 如图3 3 所示，齿条与弦杆的装配图如图3 4 所示。 一 _ m 图3 3 桩腿截面尺寸 3 2 3 齿条和弦杆的性能指标 i 羹 暑 墨 l 羹 i 1 3 图3 4 齿条与弦杆装配 齿条材料需进行a 级超声波探伤检查，v 型缺口冲击最小平均值纵向在4 0 。c 、t 4 厚时至少为3 4j ，无裂纹和叠层的气切割齿。齿条切割公差要求如表3 2 所示。 表3 2 齿条切割公差 相对齿的偏差 2 0 r a m 齿条平直度沿一零基准线2 0 齿2 m m 齿条长度0 1 4 m m 齿数 挠度小于2 0 齿2 m m 切齿表面光洁度6 3 5 , u m 齿条对焊应维持齿节距 3 5 m m 桩腿弦杆需进行a 级超声波探伤检查，屈服极限为6 9 0m p a ，抗拉强度为7 6 0m p a ， v 型缺口冲击最小平均值，纵向在4 0 。c 、t 4 厚时至少为3 4j 。桩腿弦杆成形后应进行 热处理或应力消除。弦杆圆度公差5 m m 。 第3 章支撑升降系统设计 桩腿所用焊接结构应按照美国船级社( a b s ) 认可的结构焊接工艺w p s 进行施焊 以保证桩腿建造的尺寸公差和焊接质量。所有桩腿焊接焊缝及桩腿永久吊点焊缝均要求 进行1 0 0 u t 和1 0 0 m t 探伤，并满足船级社要求。 3 2 4 桩腿的建造和安装 1 、齿条和主弦管的安装和焊接 齿条与主弦管可在专门设计的胎架中进行安装和焊接，胎架的作用是焊前用来定 位，焊中限制过分的变形。齿条与主弦管的焊接过程中，尺寸的监控必须贯彻始终。合 适的焊接工艺须先作焊评且须a b s 批准。母材，焊材，位置，坡口型式，电流等各种 参数须严格参照执行。生产过程中的任何即使是很小的放松都会导致严重后果，如延迟 裂纹等。这种由弦杆和齿条组成的单元体最后通过窗部连接成整条弦杆。焊接完毕后的 单元体和连接窗如图3 5 所示。可见，齿条的大接头在齿根处，且在端头开双面u 型坡 口。 3 5 。 图3 5 弦杆与撑杆 2 、水平撑杆和斜撑杆均在管子数控切割机上按相贯线切割成型，并开坡口，如图 i 一 图3 6 中组立示意图 哈尔滨工程人学硕士学位论文 3 、每段桩腿在小组立工场内先行中组立。将每段桩腿中组立划分为左、右两片， 如图3 6 所示，在中小组立工场的胎位上建造。水平撑杆和斜撑杆与主弦杆在胎架上刚 性固定，撑杆与主弦杆采用多道焊，焊接前按工艺要求预热，焊后保温，经4 8 小时时 效，探伤合格后吊离胎架，送大组立。中组立建造流程如图3 7 所示。 ( b )( c ) a 刚性固定b 多道焊c 焊后保温 图3 7 中组立建造流程 4 、将中组立片状部件在胎架上固定，定位按对合线，确保端面的同面，散装上部 齿条和所有拉撑，如图3 8 所示。焊接按编制焊接顺序施焊，并且边焊接，边测量变形， 用焊接顺序，控制焊接变形，焊后经4 8 小时时效后无损探伤，测量外形及挠度，验收。 图3 8 人组立组装 第3 章支撑升降系统设计 5 、在总组胎位上吊装第二节桩腿，第二节与第一节桩腿齿条处用定位螺栓两面固 定。当第二节桩腿装焊结束后，拆除螺栓，可吊去第一节桩腿送涂装，以此类推，将各 节桩腿大组立完工，如图3 9 所示。 图3 9 桩腿分段焊接完毕 6 、齿条的尺寸精度与公差控制 预装配后的焊前测量，必须留有焊接收缩余量。 焊接过程中的连续监控。 焊后的尺寸测量必须在精度控制范围之内。 每段之间端部连接必须平滑光顺，所以须测端口的尺寸进行比较，找到好的配合。 测量值：齿条中心线的平面度与直线度；齿尖的拱高直线度；对接点及附近的齿 距测量；齿条与主弦管的相对位置，距离和角度；桩腿长度的测量；每段桩腿端部的尺 寸测量等。 综上所述，桩腿建造流程可用图3 1 0 表示。 芝撑管毛料到货 验 工 艺撑管除锈i 杀车间底漆1 e 弦管到l 货检验1 其余支撑管分段组立 e 撑管划垄 坡口加工 可报主弦l 管接长r ：l!：一 e 弦管和支撑i 管分别组立| 堕喳 图3 1 0 桩腿总体建造流程 段 哈尔溟i 栏人学硕士学位论文 3 2 5 桩腿的防腐 用于海洋环境中的机械设备与陆地上使用的机械设备主要的区别，是海洋环境和开 发对象对机械设备造成的腐蚀，这些腐蚀包括：海水的化学腐蚀；海洋大气的盐雾腐蚀； 不同金属在海水中电位差腐蚀；金属零件之间的间隙腐蚀；海水中金属的应力腐蚀；石 油和天然气钻采开发设备通道中的硫化氢腐蚀等【3 1 1 。 桩靴和大部分桩腿在平台站立状态下工作在海底，因此，防腐技术是首要考虑的问 题，必须采取一定的措施抵抗海水的侵蚀。处于海面以上大气区的桩腿结构，应采用涂 层防腐蚀，对涂装有困难的小型复杂构件，或有特殊要求的钢结构件，可采用镀层防腐 蚀。海面飞溅区中钢结构，应采用高效长寿命防腐涂料，同时还应考虑一定的腐蚀裕量。 处于全浸区中的桩腿和桩靴结构，应采用牺牲阳极保护与涂层联合防腐蚀措施【2 5 1 。 3 3 桩靴的设计 桩靴为箱型结构，板料焊接成正八边形结构，总高4 5 7 2 m ，上部结构八边形外接 圆直径为1 3 m ，高2 5 7 2 m ，下部高2 0 m ；桩靴内部设周向和径向加强板，桩靴底板、 顶板、侧向围板、径向加强板上设加强筋；材料采用高强度船用钢d 3 2 级钢，总重5 3 t 。 桩靴内设有进排水系统，由于桩靴位于平台下部，在桩靴中灌水以降低平台重心，可改 善平台拖航时的稳性【3 2 】；排水时，可以对海底土进行喷冲，减小拔桩时的难度【3 3 1 。在 桩靴内部装有牺牲阳极，用来减少腐蚀保护桩靴【州。 al 8 l 。 径向加强板 向加强板 9 1a 图3 1 1 桩靴三视图 、：i_1雨1目少i!十上嗍 1i：图 、 r _ c j “一 爿-iu硝 _ _， 第3 章支撑升降系统设计 3 4 升降装置的设计 3 4 1 升降装置的结构设计 升降装置装在平台主体和桩腿的交接处。升降装置的作用有两个，其一是在载荷很 高的情况下，完成桩腿和平台主体之间的相对运动；其二是正常作业工况与风暴自存工 况下，通过齿轮与齿条的静态接触，对平台主体及相关设备起一定静态支撑作用，保持 船体的位置固定。如图2 2 所示，每条桩腿设置3 套升降装置，分别分布于三角形桁架桩 腿的三个弦杆上，为桩腿和平台的升降提供足够的动力。如图3 1 2 所示，升降装置主要 由驱动电机、齿轮减速箱、小齿轮和箱形基座组成。动力通过桩边电机驱动齿轮减速箱， 然后传递给与齿条啮合的小齿轮，从而带动桩腿和平台主体的升降。同时，驱动电机上 安装有电磁圆盘式制动器，制动器工作时使得升降装置对桩腿也有一定的锁紧作用 【2 2 ，2 3 】 0 基座是升降装置外载荷主要的承载体，且还要承担传动单元较大的重量，因此设计 中要使其达到很高的强度和刚度。为此，把基座设计成由高强度钢板焊接而成的中空箱 型结构，其中的各层隔板和加强肋板把该箱形结构分成许多小隔间，从而加强了基座的 刚度。另外，在各小隔间中设置桶形齿轮减速箱基座，用来承担升降单元较大的重量。 这样设计的箱形基座具有刚度大的特点，能够保证在升降单元重量较大、工况下小齿轮 负载较大时基座不至于产生扭曲变形，影响升降装置的正常工作。 3 1 一箱形基座；2 一驱动电机；3 一减速箱；4 一小齿轮；5 肋板；6 一隔板；7 l 减速箱基座 图3 1 2 升降装置外观及内部结构图 哈尔滨t 释大学硕十学位论文 i i i i i 3 4 2 电机的选取 1 提升平台时所需电功率理论值计算【2 2 , 2 3 , 2 4 提升平台时单桩腿所需要的电动机功率可由式( 3 1 ) 计算： 一o 7 3 6 g 匕，7 5 0 r h r 2 ( 3 1 ) 式中：p 一升平台时单桩腿所需电功率，k w ； g 单桩腿承受的载荷，n ； ，。平台提升速度，m s ； r ，一电动机效率，取0 8 0 ： r 一传动链机械效率，取0 7 5 1 具体到本文设计的支撑升降系统，单桩腿承担的平台主体重量和可变负荷是 3 6 0 0 0k n ，则所需提升功率为： p a lj 0 7 3 6 3 6 0 0 0 x 1 0 3 u 00 0 5 面赢。2 9 4 4 姗( 3 - 2 ) 2 提升平台时所需电功率实际值计算, 2 3 , 2 4 1 理论计算的功率值与实际消耗的功率值会产生较大的偏差，产生这种偏差主要有以 下三个方面的原因： 理论计算的是电动机的输出功率，而实际需要的是电动机的输入功率。电动机的 输入功率为： l ，= 。协= 2 9 4 4 o 8 4 = 3 5 0 4 8k w ( 3 - 3 ) 其中为电动机输出效率。 由于齿轮齿条传动装置机械结构误差和线路损耗的影响，所需功率增大2 0 。则： 。一只1 ，( 1 + 2 0 ) = 3 5 0 4 8 x ( 1 + 2 0 ) = 4 2 0 5 7k w ( 3 - 4 ) 由于每台电动机同步性的差别导致负载不均匀，所需功率又增加1 0 ，则升平台 功率实际计算值为： p s i m 一只，( 1 + 1 0 ) = 4 2 0 。5 7 x ( 1 + 1 0 ) = 4 6 2 6 3 k w ( 3 5 ) 考虑到上述的三方面因素后，提升平台时所需电功率的理论计算值与实际消耗的有 功功率比较接近。式( 3 5 ) 的测算值可以作为升降装置驱动电机容量选择依据。 3 升降装置驱动电机选择 选用交流三相鼠笼式感应电动机，型号为y 2 5 0 m 8 ，额定功率3 01 哪，其主要参数 如表3 3 。 第3 章支撑升降系统设计 表3 3y 2 5 0 m - 8 参数表 型号额定功转速电流a效率功率因数重量瓜g 率k w r m i n y 2 5 0 m 83 07 3 06 39 0 50 8 04 0 5 额定电压3 8 0v ，额定频率5 0h z ，绝缘等级f 级，接法。 则一条桩腿配备的电动机的功率为： 1 8 x3 0 k w = 5 4 0k w 4 6 2 6 3 k w 有一定的余量，满足瞬间超载的要求。 3 4 3 齿轮减速箱设计 升降装置的传动单元为关键设备，其主要结构为电机+ 传动齿轮箱+ 输出端小齿轮的 结构形式。传动单元的动力元件为电机，带动齿轮箱减速增扭，提供平台主体升降所需 动力。齿轮箱的输出端为小齿轮，与桩腿上的齿条啮合带动平台升降。小齿轮z 一7 ， 所；8 0 ，口a3 0 0 ，齿轮厚度最一2 1 0 m m ，齿条厚度以- 1 5 0 r a m ，齿轮齿面形式为渐开 线，齿条为直线。本方案的优点是电机控制简单，升降传动单元结构互换性好，可靠性 高。传动齿轮箱减速比 f-鲁一旦i一号一一百|28525162 730(3-6) 即，y 2 ，2 4 ) u fa r d7 l - m z石8 0 7 ，l i 一驱动电机额定转速，r m i n 。 末端小齿轮转速，r m i r a 末端小齿轮分度圆线速度，m m m i n ； 卜一小齿轮分度圆周长，m m ； 历一小齿轮模数； g 末端小齿轮齿数； 为获得如此大的传动比，并有效地提高传动效率，齿轮减速器采用两级行星轮系加 两级平行轴轮系传动，同时该减速器具有尺寸结构紧凑、重量轻、定位精确以及能够输 出较大扭矩等优点，如图3 1 3 所示。 减速器的二级定轴齿轮传动，其作用除了获得一定传动比以外，也与行星轮系组成 一个形的外形，以保证驱动电机的合理安装，即采用定轴轮系和行星轮系组合构成 形，改变整个轮系输入轴线和输出轴线间的位置，使输入轴、输出轴线间具有一定的距 离，又保持相互平行，这样充分利用了径向和轴向空间，给电机的布置、安装带来方便。 哈尔滨：l ：程人学硕十学位论文 i i 经过齿轮箱的减速，末端小齿轮的转速与设计要求相比理论误差较小，圆满达到了设计 要求。由于论文篇幅限制，齿轮减速箱轮系的详细设计过程不再赘述。 小珊 二级减速器 图3 1 3 传动单元原理及外观图 3 4 4 升降装置电路设计 为了实现升降装置驱动电机的正反转，只需将接到电源的任意两根线对调即可。这 就需要用两个接触器，如图3 1 4 所示。当正转交流接触器1 c 工作时，电动机正转；当 反转交流接触器2 c 工作时，由于电动机的电源相序改变而反转。 为了避免当电动机正向运行时错误地按下反转启动按钮( 或反之) ，导致三相电源通 过1 c 和2 c 的主触点将电源短路，在两个接触器线圈电路中，相互之间串入另一个接 触器的常闭辅助触点1 c 或2 c ，以保证两接触器不可能同时工作。这种作用n t t l ：g t 互锁”。 升平台或下桩时，按升平台按钮1 q a ，正转接触器1 c 激磁，主触头1 c 闭合，驱 动电机制动器z d l z d l 8 的线圈通电，制动器解锁，同时电动机d 1 一d 1 8 正转。电动 机通过齿轮减速箱带动小齿轮正方向转动，小齿轮与齿条相互啮合，由于小齿轮固定在 平台主体上，所以此时平台主体相对桩腿向上运动，进行提升平台或下桩作业，达到预 定提升高度按动停止按钮t a ，停止提升平1 2 2 , 2 3 】。 欲降平台或升桩，按降平台按钮2 q a ，反转接触器2 c 激磁，主触头2 c 闭合，驱 动电机制动器z d l z d l 8 的线圈通电，制动器解锁，同时电动机d 1 d 1 8 反转。此时 小齿轮拖动平台主体相对桩腿向下运动，进行降平台或升桩作业，达到预定目标时按动 停止按钮t a ，停止降船【2 2 , 2 3 】。 正常升降平台时电流表a 1 与a 2 的显示值基本相等。 3 0 第3 章支撑升降系统设计 3 5 锁紧装置设计 3 5 1 锁紧装置结构设计 图3 1 4 升降装置电路图 2 0 世纪8 0 年代初，美国的f & g 公司首次申请了齿条锁紧装置( r a c kc h o c kf i x a t i o n s y s t e m ) 专利。它具有很大的竖向固桩刚度与载荷支持能力，使得绝大部分( 约9 0 ) 的 桩腿弯距被由齿条锁紧装置传至主弦杆形成的轴向力力偶所平衡，因此支撑杆的轴压力 较小，管径易于控制以降低水阻力、增加工作水深，这一创新使得自升式海洋平台能够 进入更深与更恶劣海况的海域工作【3 5 1 。 锁紧装置结构如图3 1 5 所示，主要包括锁紧基座、垂直螺旋升降机、水平螺旋升 降机、齿形楔块和下导向。它布置在船体底部到主甲板这段桩腿井口的距离，其箱型基 座结构与平台主体融为一体，这种结构形式较简单，能有效减少建造施工的难度，便于 安装维护。 3 1 爸坨 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 1 9 1 一锁紧装置基座；2 一下导向；3 垂直螺旋升降机基座；4 一水平螺旋升降机基座；5 一挡板； 6 _ 垫块；7 一垂直螺旋升降机；8 一水平螺旋升降机；9 _ t 形槽； 图3 1 5 锁紧装置三维结构图 锁紧装置使用液压马达为动力元件，液压马达通过联轴器与螺旋升降机蜗杆相连， 螺旋升降机蜗杆一涡轮螺母一丝杠推杆机构可以将液压马达的回转运动转化成推杆的 移动，因而液压马达的正反转动可以驱使丝杠推杆的伸缩。螺旋升降机原理如图3 1 6 。 1 一蜗杆；2 一涡轮螺母；3 一丝杠推杆： 图3 1 6 螺旋升降机原理图 一套锁紧装置设有两个齿形楔块、四组水平螺旋升降机、四组垂直螺旋升降机，分 别以弦杆齿条为中心左右对称。齿形楔块设为7 个齿，模数为8 0 ，压力角a ：3 0 。，楔 块厚度文= 1 5 0 m m ，楔块材料为a s t m 5 1 4 o 。齿形楔块的后面开有t 型槽，水平升降 机的推杆头嵌在t 型槽中；垂直升降机的推杆端面直接顶在齿形楔块的上、下面上；同 时还有挡板和垫块的限位作用使得齿条楔块只能在一定范围的平面内纵向或横向移动， 3 2 6 丁一 4 3 2 一 。 第3 章支撑升降系统设计 以保证对桩腿弦杆齿条实施锁紧动作。使用螺旋升降机的优点是可以利用其机械自锁功 能实现齿条楔块和弦杆齿条的锁紧，同样因为螺旋升降机的自锁功能保证楔块不会在平 台或桩腿升降过程中与桩腿弦杆齿条干涉打齿。 锁紧工作过程：当桁架桩腿升降到一定位置需要锁紧时，先通过垂直螺旋升降机推 动齿形楔块进行纵向的调节，使齿形楔块齿牙对准弦杆齿条齿隙，然后再通过水平螺旋 升降机推动齿形楔块进行横向的调节，到达锁紧目的。 3 5 2 锁紧装置承载能力分析 锁紧装置承载能力为在锁紧装置不发生失效的情况下所能承受的最大的竖向力。将 齿形楔块横向锁紧简化为滑块沿斜面运动时的力学模型，如图3 1 7 所示。其中a 为齿 条齿廓倾斜角，即齿条的压力角；9 为齿条相对运动时的摩擦角，其值为妒一a r c t a n 厂； 齿条上的纵向载荷为q ，即为单套锁紧装置所能承受的最大纵向载荷；略去齿形楔块与 桩腿齿条的重力，求使该模型保持平衡时齿形楔块横向夹紧力f 的取值范围。 f lf 2 q q 图3 1 7 夹紧装置力学模型 假设f e 时锁紧齿条楔块向右移动，沿弦杆齿条的斜面上升；f e 时锁紧齿条 楔块向左移动，沿弦杆齿条的斜面下降。此两种情况齿形楔块的受力如图3 1 7 所示。 由图得： 互- q 。t a n ( a + 驴) ( 3 7 ) 最- q t a n ( a 一伊) ( 3 8 ) 桩腿锁紧状态下，为使系统平衡f 值应为最墨f 墨e ，将厂；t a n p 代入得 q s i n g - f c o s as f s q s i